WO2024022935A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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WO2024022935A1
WO2024022935A1 PCT/EP2023/070117 EP2023070117W WO2024022935A1 WO 2024022935 A1 WO2024022935 A1 WO 2024022935A1 EP 2023070117 W EP2023070117 W EP 2023070117W WO 2024022935 A1 WO2024022935 A1 WO 2024022935A1
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power
power connection
connection
circuit board
plus
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PCT/EP2023/070117
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Kevin Böhm
Ruben Bärenweiler
Ivonne TRENZ
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the present invention relates to the field of electromobility, in particular to electronic modules for an electric drive.
  • the use of electronic modules, such as power electronics modules, in motor vehicles has increased significantly in recent decades. This is due on the one hand to the need to improve fuel economy and vehicle performance and on the other hand to advances in semiconductor technology.
  • the main component of such an electronic module is a DC/AC inverter, which is used to power electrical machines such as electric motors or generators with multi-phase alternating current (AC).
  • a direct current generated from a DC energy source, such as a battery, is converted into a multi-phase alternating current.
  • the inverters include a variety of electronic components with which bridge circuits (such as half bridges) are implemented, for example semiconductor power switches, which are also referred to as power semiconductors.
  • GaN power semiconductors currently used for 400V systems are only available as individual switch packages. These are optimized for mounting on a PCB, but are not well suited for high-current applications (i.e. 100A and more) as they are difficult to dissipate heat.
  • high-current applications i.e. 100A and more
  • Currently known module structures for increasing the current carrying capacity are also not useful, as there is too high a leakage inductance in the commutation cell and poor gate control due to long signal contacting.
  • lateral components such as GaN HEMTs can only be integrated with significant compromises using the known module package methods.
  • the invention is therefore based on the object of providing a power semiconductor module which integrates lateral power semiconductor elements better than previously known modules or packages. This task is solved by the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
  • a power semiconductor module having DC minus and DC plus power connections arranged on an upper side thereof and at least one AC power connection for contacting associated busbars, a semiconductor package arranged below the power connections, having at least one circuit board with at least two embedded in the circuit board , lateral power semiconductor elements, one of which serves as a high-side switch and one as a low-side switch, and wherein the power semiconductor elements are electrically contacted with the power connections via first electrically conductive and heat-dissipating layers or inlays, and on the opposite side to the respective power semiconductor elements and second heat-dissipating layers or inlays connected thereto are provided, a thermally coupled cooling arrangement below the semiconductor package and connected to the second heat-dissipating layers or inlays, comprising at least one insulator arranged between the second heat-dissipating layers or inlays and a heat sink arranged on the underside thereof, with between Insulator and heat sink and metal elements thermally coupled to one of the power semiconductor elements are arranged, which
  • the high-side switch and the low-side switch are arranged opposite one another, and the AC power connection is divided in such a way that one of them is arranged between the high-side switch and the low-side switch, and another is arranged on the outer region of the Circuit board, which connects to the DC plus power connection, and the DC plus power connection is arranged between the two AC power connections, and the metal element serving as an AC power supply is flat underneath the AC power connections and the DC plus power connection extends, and wherein at least contact elements formed as gate contacts per row of high-side switches and low-side switches in one central area of the circuit board are arranged for contacting high-side switches or low-side switches with the associated power connections.
  • the arrangement of power semiconductor elements, AC power connection, power semiconductor elements, DC plus power connection is repeated after the DC minus power connection, or wherein a further AC power connection is provided on the outer region of the circuit board connects to the DC negative power connection, and wherein associated high-side or low-side switches are arranged between each of the power connections.
  • AC power connections are arranged on an outer region of the circuit board and are arranged in a cross shape, dividing the circuit board into several sections, with a central area of the circuit board not being affected, and with two of the ones adjacent to the outer AC power connection Sections and areas either completely or partially separated from one another by one of the further AC power connections are formed as DC plus power connections, followed by two AC power connections separated from one another by the middle area, in turn followed by two of one of the further AC power connections from one another separate areas, which are formed as DC-minus power connections, with high-side switches and low-side switches opposite each other in pairs such that the high-side switches are arranged on an area of the circuit board in which the DC-plus power connections are arranged , and the low-side switches are arranged on an area of the circuit board in which the DC minus power connections are arranged, and the metal element serving as an AC power supply is located flatly below the AC power connections and the DC plus power connection extends and divides the metal element formed as a DC minus current guide into
  • the AC power connection is divided in a T-shape into two mutually perpendicular AC partial connections, of which a first runs on an outer region of the circuit board and the second runs perpendicular thereto and in the middle of the circuit board, and in each case a DC minus power connection and a DC plus power connection are arranged in such a way that each runs on a different side of the AC partial connection running in the middle of the circuit board, with high-side switches and low-side switches facing each other on one side of the middle AC partial connection are arranged, and wherein a metal element serving as an AC current conductor extends flatly below the AC and DC plus power connections and a metal element serving as a DC minus current conductor extends flatly below the DC minus power connections.
  • Power connection extends, and wherein contacts formed at least as gate contacts are assigned to the high-side switches and low-side switches in order to contact them with the associated power connections, the contact elements being arranged in the central region of the circuit board.
  • either only the DC plus power connection is L-shaped, with the DC plus power connection and the DC minus power connection being arranged in such a way that one leg of each is formed parallel to the second AC partial connection is, so that it lies in the middle of the two legs, and the other leg of the DC-plus power connection runs parallel to the AC partial connection on the opposite outer area of the circuit board, and another that serves as a DC-plus power supply Metal element is provided, which extends below the DC minus power connection power supply, or wherein both DC plus power connection and DC minus power connection are L-shaped and arranged such that one leg of each is parallel to the second AC -Partial connection is formed so that it lies in the middle of the two legs, and the other leg of the DC plus power connection is parallel to that AC partial connection runs on the outer area of the circuit board and between the two AC partial connections, and the other leg of the DC negative power connection runs parallel to the AC partial connection on a side of the circuit board opposite the outer area and opposite, and another, as A metal element serving as
  • the DC minus power connection, DC plus power connection and second AC partial connection are divided parallel to the first AC partial connection and that the contact elements are arranged in this area, and the metal element serving as AC current conduction is flat extends below the AC power connections and the DC plus power connection and divides the metal element formed as a DC minus power supply into two sub-elements.
  • a portion of the AC power connection is provided at an outer end of the circuit board and then a DC plus power connection, followed by high-side switches and low-side switches, which are connected to one another via a further portion of the AC power connection.
  • Power connection are arranged opposite, and wherein a DC minus power connection is provided at an end opposite the DC plus power connection, and in the central area of the circuit board between the DC minus power connection and DC plus power connection no power semiconductor elements and no AC power connection are provided, and wherein the arrangement of power semiconductor elements with an AC power connection arranged in between and a subsequent DC plus power connection is provided on the DC minus power connection, and wherein the metal element serving as an AC power supply is located flatly below the AC power connection - connections and the DC plus power connection, as well as partially extends below the DC minus power connection, and with at least contact elements formed as gate contacts per block of high-side switches and low-side switches in the central area of the circuit board, each for contacting Highside switches or lowside switches are arranged with the associated power
  • a portion of the AC power connection is provided at an outer end of the circuit board and then a DC negative power connection, followed by low-side switches and high-side switches, which are connected to one another via a further portion of the AC power connection.
  • Power connection are arranged opposite, and wherein in the central area of the circuit board between the DC minus power connection and DC plus power connection, no power semiconductor elements and no AC power connection are provided, and wherein the arrangement of power semiconductor elements with the power semiconductor elements arranged in between is on the DC plus power connection AC power connection and subsequent DC minus power connection is provided, and wherein the metal element serving as AC power supply is located flatly below the AC power connections and at least parts of the DC plus power connection located between the DC minus power connections, as well as partially below of the DC-minus current connection and divides the metal element serving as a DC-minus current supply into three parts, and at least contact elements formed as gate contacts per block of high-side switches and low-side switches in the central area of the circuit board for contacting purposes of high-side switches or low-
  • the DC-minus power connection is followed by an additional DC-plus power connection and that on the underside there is another metal element that serves as a DC-plus power supply in a T-shape from the outer DC-plus power connection to the central one DC plus power connection extends in such a way that it divides the metal element serving as DC minus power supply into four parts.
  • additional driver components are arranged on the top of the circuit board or integrated therein and can be contacted with pins provided for this purpose.
  • the cooling arrangement is integrated on the underside of the semiconductor package as an insulator metallized on both sides, or is connected as an external arrangement on its underside.
  • busbars for contacting the power connections in the event that the DC power connections exceed a predetermined length are formed in such a way that they shorten in predetermined areas.
  • the power semiconductor elements are formed as GaN-HEMT.
  • a power electronics device in particular an inverter, is provided, comprising the power semiconductor module.
  • an electric drive in particular an electric axle drive, is provided for a motor vehicle with at least one electric machine, a transmission device and the power electronics device.
  • a motor vehicle having the electric drive, in particular the electric axle drive and/or the power electronics device.
  • Figure 1 shows a basic structure of a power semiconductor module according to the prior art.
  • Figure 2 shows a basic structure of a power semiconductor module according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 3 to 23 and 25, 26 show different design variants of the top and bottom of the power semiconductor module structure according to different embodiments of the present invention.
  • Figure 24 shows a busbar concept according to an embodiment of the present invention.
  • the aim of the present invention is to provide a module or package for new, ever faster switching power semiconductors, which enables lower leakage inductances, low parasitic couplings, and additional gate driver components in the package close to the semiconductor.
  • Materials that can be used as lateral power semiconductors are semiconductor compounds that have the largest possible band gap, for example GaN (gallium nitride) or gallium oxide (ß-Ga2O3).
  • a half-bridge package In order to provide a module or package for new, ever faster switching power semiconductors, it is necessary to meet certain requirements, ie a half-bridge package must be provided that is optimized for lateral power semiconductors. It should also be noted that current scaling must be based on the number of parallel power semiconductors in the package or the number of packages per phase. Furthermore, a top side contact for the 3D commutation cell, maximum creepage distances with minimum leakage inductance of the commutation cell, and short signal contact for good gate control of the power semiconductors integrated into a printed circuit board (hereinafter also referred to as PCB) must be provided.
  • PCB printed circuit board
  • the concept must enable optimal contacting and fanout (spreading of the contacts) of the drain, source and gate (everything on the top side of the chip in the case of lateral components). It should also be possible to provide additional gate driver components directly on the circuit board with the integrated power semiconductors through an additional wiring level. Likewise should Power semiconductors, driver output stages and contacts in and/or on an additional substrate, for example as a PCB (organic, ceramic) or integrated into a PCB, may be possible.
  • PCB organic, ceramic
  • FIG. 1 The basic structure of a power semiconductor module is shown in Figures 1 (prior art) and 2. What is common to the prior art is that the power semiconductor module has DC minus and DC plus power connections 48, 50 arranged on an upper side thereof and at least one AC power connection 52 for contacting associated busbars 16, 18, 40.
  • a semiconductor package 9 is arranged below the power connections 48, 50, 52, having at least one circuit board 30 with at least two lateral power semiconductor elements 12, 14 integrated, ie embedded, in the circuit board 30. One of these serves as a high-side switch 12 and the other as a low-side switch 14.
  • the power semiconductor elements 12, 14 are also electrically contacted with the power connections 48, 50, 52 via first, electrically conductive and heat-dissipating layers or inlays 20, 22, 38.
  • second, heat-dissipating layers or inlays 13, 15 are provided, which, depending on the design, are electrically conductive and are at least partially connected to source potential.
  • the power semiconductor elements 12, 14 can be contacted with the current-carrying busbars 16, 18 via vias 24, 26, 36, 44, as in the prior art.
  • a cooling arrangement 10, 46 connected and thermally coupled below the semiconductor package 9 and connected to the second heat-dissipating layers or inlays 13, 15 is provided, comprising at least one insulator 46 arranged between the second heat-dissipating layers or inlays 13, 15 and one arranged on its underside Heat sink 10. Unlike in FIG. 1 (prior art), it can be seen in FIG.
  • the cooling structure 10; 101, 102, 46 can be formed on the underside of the semiconductor package 9 as a separate cooling structure and connected mechanically and thermally (for heat dissipation) to the circuit board 30 via a corresponding method, e.g. sintering.
  • the insulator 46 can be formed as an organic insulator.
  • the cooling structure 10, 101, 102, 46 can also be integrated as an insulator metallized on both sides, for example ceramic, on the underside of the semiconductor package 9, or be part of the circuit board 30, comparable to the use or integration of an IMS.
  • the circuit board 30 may, but does not have to, have current conduction layer layers. It consists of a substrate material with predeterminable properties. Well-known materials are, for example, FR-4, Teflon or PTFE.
  • the substrate of the circuit board 30 can be designed organically and ceramically as a PCB or as an embedded PCB or as an IMS substrate. It is only important that the lateral power semiconductor elements 12, 14 are integrated into the circuit board 30, that is to say they are completely embedded therein.
  • the lower substrate (underside) is always structured and is used as a contacting level and thermal connection.
  • the upper substrate (top side) has the power semiconductors 12, 14, for example GaN semiconductors, as well as driver components and required contacts, and is formed as a so-called embedded PCB, since at least the power semiconductors 12, 14 are integrated therein.
  • all other contacts are provided via a busbar (bus bar (not shown) by means of, for example, a welded connection, as well as further contact elements 60 such as signal pins or flexible circuit board strips, which, like the signal pins, establish a connection between the semiconductor and the driver board, and are connected via, for example, soldering or press fit .
  • the undersides are each shown as a view through the top.
  • the contact elements 60 in the embodiments shown are designed as pins 60 (signal pins). But they can also be designed as a flexible circuit board.
  • Figures 3A and 4A each show a top view of an upper side of the circuit board 30, and Figures 3B and 4B each show the associated underside of the circuit board 30.
  • busbars on the top of Figures 4A and 14 are identical, with both the underside structure and the arrangement of the contact elements 60 and driver components 70 differing.
  • high-side switches 12 and low-side switches 14 are arranged opposite one another via the AC power connection(s) 52, which are not entirely on the outside.
  • the underside is formed in such a way that it is divided into two subareas, one of which is formed as a metal element 102 for AC current conduction and the other as a metal element 101 for DC minus current conduction.
  • the metal element 102 which serves as an AC power supply, extends flat below the AC power connections 52.
  • the metal element 102 is formed as a surface that extends from the upper AC power terminal 52 to the middle of the second AC power terminal 52, while the metal element 101 adjoins it at a distance and to the lower end of the circuit board 30 is enough.
  • the metal element 102 is formed as a surface extending over the entire underside of the circuit board 30, which is interrupted by several metal elements 101 in the area of the DC minus power connection 48, which in this embodiment is arranged centrally on the top of the circuit board 30 becomes.
  • the metal member 101 may be formed as an unbroken surface and also divide the metal member 102 in the same area as the broken faces in Figure 4B.
  • the metal element 101 may be a non-interrupted surface be formed and divide the metal element 102 in the same area as the interrupted surfaces in Figure 4B.
  • the metal element 102 still runs on the outside of the circuit board 30, so that the metal element 101 forms an island in the metal element 102, so to speak.
  • the advantage here is that the phase current of the lower half bridge no longer flows under the driver components, but around them. This means increased interference immunity due to a lower coupling of the AC current potentials in the LS gate control.
  • the metal element 102 is formed as a surface extending over the entire underside of the circuit board 30, which is formed by two metal elements 101 in the area of the DC minus power connection, which in this embodiment is arranged in the lower area on the top side of the circuit board 30 48 is interrupted in such a way that the metal element 102 runs centrally between the two metal elements 101.
  • the lower low-side switch 14 associated with the upper high-side switch 12 is connected to one another via the metal element 102 (AC current supply).
  • additional driver components 70 are provided to the left and right of the pins 60, which are contacted with a third pin of the pins 60.
  • the pins 60 are rotated by 90 degrees compared to Figures 3 and 4 and additional driver components 70 are provided above and below the pins 60. These are contacted with the third pin of pins 60.
  • FIG. 5, 7, 8 and 9 each show a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the underside associated with all of them is shown in Figure 6.
  • AC power connections 52 are arranged on an outer region of the circuit board 30 and the circuit board 30 is arranged in a cross shape dividing it into several sections. That is, a part of the AC power connector 52 is provided at the upper end of the circuit board 30. Another part is provided directly below and at a distance from it and is flanked by two DC plus power connections 50. At the opposite end region, a further AC power connection 52 is provided, which is flanked by two DC negative power connections 48.
  • a further AC power connection 52 is arranged between a DC minus power connection 48 and a DC plus power connection 50.
  • a central area of the circuit board is not occupied by any power connection 48, 50, 52, ie this area is free and is used for the contact elements 60, which are designed here as pins, and additional driver components 70.
  • the only difference from the embodiment shown in Figure 5 is that the two DC plus power connections 50 on the top of the circuit board 30 are connected to one another via a DC plus bridge.
  • the DC plus bridge runs between the two AC power connections 52 in the upper area of the circuit board 30.
  • intermediate circuit capacitors 80 are provided on side regions of the circuit board 30 and in each case adjacent to the AC power connections 52. These can be arranged as separate components on the circuit board 30 or integrated therein.
  • the metal element 102 which serves as an AC current conductor, extends in both versions below the AC power connections 52 and the DC plus power connection 50, and divides the metal element 101 formed as a DC minus current conductor into two sub-elements .
  • Additional driver components 70 which can be contacted with the third pin 60, are arranged centrally on the circuit board 30 in this embodiment (as in the embodiments shown in Figures 5, 7 and 9).
  • FIG. 20 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 21.
  • the AC power connection 52 is divided in a T-shape on the top into two mutually perpendicular AC partial connections 52, of which a first runs on an outer region of the circuit board 30 and the second runs perpendicular to it and in the middle of the circuit board 30.
  • a DC minus power connection 48 and a DC plus power connection 50 are arranged to the left and right of the central AC power connection 52, respectively.
  • High-side switch 12 and low-side switch 14 are arranged opposite each other on one side of the central AC partial connection 52.
  • At least two contact elements designed as pins 60 are assigned to the high-side switches 12 and low-side switches 14 in order to contact them with the associated power connections 48, 50, 52, the pins 60 being arranged in the central area of the circuit board 30.
  • Above and below the pins 60 are additional driver components 70 that can be contacted with the third pin 60.
  • a metal element 102 serving as an AC current conductor and a metal element 101 serving as a DC minus current conductor extend flatly below the power connections 48, 50, 52, with the metal element 102 also extending below the DC plus power connection 50 .
  • FIG. 25 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 26.
  • This version differs from the version shown in Figure 20 in that in this version the DC minus power connection 48, the DC plus power connection 50 and the second AC partial connection 52 are divided parallel to the first AC partial connection 52 on the top are, with the contact elements designed as pins 60 being arranged in this area.
  • the metal element 102 serving as an AC power line extends on the underside below the AC power connections 52 and the DC plus power connection 50 and divides the metal element 101 formed as a DC minus power line into two sub-elements.
  • FIG. 22 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 23.
  • This embodiment is similar to the embodiment described with reference to Figures 20 and 21. Only here on the top of the circuit board 20 is the DC plus power connection 50 L-shaped, with the DC plus power connection 50 and DC minus power connection 48 being arranged in such a way that one leg of each is parallel to the second AC Partial connection 52 is formed so that it lies in the middle of the two legs.
  • the other leg of the DC-plus power connection 50 runs parallel to the AC partial connection 52 on the opposite outer region of the circuit board 30.
  • FIG. 10 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 11. This embodiment is similar to the embodiment described with reference to Figures 20 and 21. Only here on the top of the circuit board 20 both the DC plus power connection 50 and the DC minus power connection 48 are L-shaped and arranged in such a way that one leg of each is formed parallel to the second AC partial connection 52.
  • the original “T” is therefore divided into two AC partial connections 52 by one leg of the DC plus power connection 50.
  • the second AC partial connection 52 is therefore located in the middle of the two legs and all three legs run parallel to one another.
  • the other leg of the DC plus power connection 50 runs parallel to the AC partial connection 52 on the outer region of the circuit board 30 and between the two AC partial connections 52.
  • the other leg of the DC minus power connection 48 runs parallel to the AC partial connection 52 on a side of the circuit board 30 that is opposite the outer region.
  • a further metal element 103 which serves as a DC-plus power supply and extends below the DC-plus power connection 50.
  • FIG. 14 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 15.
  • a portion of the AC power connection 52 is provided on the top of the circuit board 30 at an outer end of the circuit board 30 and then a DC plus power connection 50, followed by high-side switches 12 and low-side switches 14, which are connected to each other are arranged opposite each other over a further portion of the AC power connection 52.
  • a DC minus power connection 48 is provided at an end opposite the DC plus power connection 50.
  • no power semiconductor elements 12, 14 and no AC power connection 52 are provided in the central area of the circuit board 30 between the DC minus power connection 48 and DC plus power connection 50.
  • contact elements designed as pins 60 and additional driver components 70 are provided.
  • the metal element 102 which serves as an AC power supply, extends flatly below the AC power connections 52 and the DC plus power connection 50, and partially below the DC minus power connection 48.
  • the metal element 102 is in the area of the (located on the top) DC negative power connection 48 is narrowed by the metal element 101.
  • at least two pins 60 per block of high-side switches 12 and low-side switches 14 are arranged in the central area of the circuit board 30 for contacting high-side switches 12 or low-side switches 14 with the associated power connections 48, 50, 52.
  • driver components 70 may be provided.
  • FIG. 18 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 19.
  • a portion of the AC power connection 52 is provided on the top of the circuit board 30 at an outer end of the circuit board 30. Adjacent to this is a DC negative power connection 48, followed by low-side switches 14 and high-side switches 12 are arranged opposite each other over a further portion of the AC power connection 52.
  • a DC plus power terminal 50 is provided at an end opposite the DC minus power terminal 48, and there are none in the central area of the circuit board 30 between the DC minus power terminal 48 and the DC plus power terminal 50
  • Power semiconductor elements 12, 14 and no AC power connection 52 are provided. Adjoining the DC plus power connection 50 is the arrangement of power semiconductor elements 12, 14 with an AC power connection 52 arranged in between and a subsequent DC minus power connection 48.
  • the metal element 102 which serves as an AC current guide, extends flatly below the AC power connections 52 and at least parts of the DC plus power connection 50 located between the DC minus power connections 48, as well as partially below the DC minus - Power connection 48. Parts of the metal element 102 are separated from parts of the Metal element 101 is flanked so that it is divided into three sub-areas, each of which is located below the associated DC minus power connection 48. Furthermore, there are at least two contact elements designed as pins 60 per block of high-side switches 12 and low-side switches 14 in the middle Area of the circuit board 30 is arranged for contacting high-side switch 12 or low-side switch 14 with the associated power connections 48, 50, 52.
  • FIG. 16 shows a top side of a circuit board 30 according to a further embodiment.
  • the associated underside is shown in Figure 17.
  • This version differs from the version shown in Figures 18 and 19 in that the DC minus power connection 48 is additionally followed by a DC plus power connection 50.
  • a further metal element 103 which serves as a DC-plus power supply, extends in a T-shape from the outer DC-plus power connection 50 to the central DC-plus power connection 50.
  • the metal element 103 here has the shape of an upside down “T” on. Both parts of the metal element 103 and parts of the metal element 102 are flanked by parts of the metal element 101, so that it is divided into four sub-areas, each of which is located below the associated DC minus power connection 48.
  • the power connections 48, 50, 52 are contacted on the top of the circuit board 30 by means of busbars.
  • the shape of these is adapted to the respective design of the circuit board 30.
  • the shape of the busbars depends on the arrangement of the components, i.e. both the power connections 48, 50, 52, as well as the contact elements designed as pins 60 and the driver modules 70. For example, a partial area or the entire middle of the circuit board 30 can remain free.
  • the DC minus and the DC plus busbar can be narrowed on the capacitor side, as shown in Figure 24, which leads to a small increase in the leakage inductance, but improves the symmetry of the currents.
  • the busbar By constricting or shortening the busbar, the length of the power supply is shortened and thus a more even power distribution reached. Which of the busbars is at which point and how it is contacted can be determined depending on the version.
  • HEMTs when designing, it should be noted that HEMTs must have source potential on the substrate side, i.e. AC for the high-side switches 12 and DC-minus for the low-side switches 14.
  • all metal elements 101 - 103 on the underside of the circuit board 30 are electrically separated from one another, for example over a suitable distance.
  • contact elements 60 only for gate contacting, for example as two pins or as a flexible circuit board. These are used to contact high-side switch 12 or low-side switch 14 with the associated power connections 48, 50, 52.
  • a further contact element for example a third pin or a connection on a flexible circuit board, can be present in order to contact additional driver components 70.
  • the proposed power semiconductor modules are scalable by connecting them in parallel to each other. In order to separate the circuit boards 30 again, a suitable distance can be provided at which the circuit board 30 has no components and can therefore be cut apart.
  • the power semiconductor module can be part of an electronic module and is used in the field of power electronics, in particular in power electronic devices such as inverters in the field of electromobility.
  • An electronic module within the scope of this invention is used to operate an electric drive of a vehicle, in particular an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, and/or electrified axles (electric axle drive).
  • the electronic module includes a DC/AC inverter. It can also include an AC/DC rectifier, a DC/DC converter, a transformer and/or a PFC stage and/or a other electrical converter or part of such a converter or be a part thereof.
  • the electronic module is used to power an electric machine, for example an electric motor and/or a generator.
  • a DC/AC inverter is preferably used to generate a multi-phase alternating current from a direct current generated by means of a DC voltage from an energy source, such as a battery.
  • Inverters for electric drives of vehicles are designed for the high-voltage range and are designed in particular in a reverse voltage class of approximately 650 volts.
  • contact element e.g. pins or flexible circuit board

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Leistungshalbleitermodul, aufweisend auf einer Oberseite davon angeordnete DC-Minus- und DC-Plus-Stromanschlüsse und mindestens einen AC-Stromanschluss zur Kontaktierung zugehöriger Stromschienen, ein unterhalb der Stromanschlüsse angeordnetes Halbleiterpackage, aufweisend wenigstens eine Leiterplatte mit wenigstens zwei in die Leiterplatte eingebetteten, lateralen Leistungshalbleiterelementen, von denen jeweils eines als Highside-Schalter und eines als Lowside-Schalter dient, und wobei die Leistungshalbleiterelemente mit den Stromanschlüssen über erste elektrisch leitfähige und wärmeableitende Schichten oder Inlays elektrisch kontaktiert sind, und auf der gegenüberliegenden Seite zu den jeweiligen Leistungshalbleiterelementen und damit verbundene zweite wärmeableitende Schichten oder Inlays vorgesehen sind, eine unterhalb des Halbleiterpackages und mit den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays verbundene und thermisch gekoppelte Kühlanordnung, aufweisend mindestens einen zwischen den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays angeordneten Isolator und einen auf dessen Unterseite angeordneten Kühlkörper, wobei zwischen Isolator und Kühlkörper und mit jeweils einem der Leistungshalbleiterelemente thermisch gekoppelte Metallelemente angeordnet sind, die derart strukturiert sind, dass sie als zusätzliche Wärmeableitung und Wärmespreizung der Leistungshalbleiterelemente und als zusätzliche Stromführung dienen.

Description

Leistungshalbleitermodul
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechsel- richter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
Aktuell verwendete GaN-Leistungshalbleiter für 400V-Systeme sind nur als Einzel- schalter-Packages verfügbar. Diese sind für eine Montage auf einer PCB optimiert, aber nicht gut für Hochstromanwendungen (also 100A und mehr) geeignet, da sie schlecht zu entwärmen sind. Aktuell bekannte Modulaufbauten zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit sind ebenfalls nicht sinnvoll, da hier eine zu hohe Streuinduktivität in der Kommutierungszelle und eine zu schlechte Gate-Kontrolle durch lange Signalkontaktierung vorhanden sind. Insbesondere laterale Bauteile wie GaN-HEMTs lassen sich mit den bekannten Modul-Package-Methoden nur stark kompromissbehaftet integrieren.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, welches laterale Leistungshalbleiterelemente besser integriert als bisher bekannte Module bzw. Packages. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Leistungshalbleitermodul, aufweisend auf einer Oberseite davon angeordnete DC-Minus- und DC-Plus-Stromanschlüsse und mindestens einen AC-Stromanschluss zur Kontaktierung zugehöriger Stromschienen, ein unterhalb der Stromanschlüsse angeordnetes Halbleiterpackage, aufweisend wenigstens eine Leiterplatte mit wenigstens zwei in die Leiterplatte eingebetteten, lateralen Leistungshalbleiterelementen, von denen jeweils eines als Highside-Schalter und eines als Lowside-Schalter dient, und wobei die Leistungshalbleiterelemente mit den Stromanschlüssen über erste elektrisch leitfähige und wärmeableitende Schichten oder Inlays elektrisch kontaktiert sind, und auf der gegenüberliegenden Seite zu den jeweiligen Leistungshalbleiterelementen und damit verbundene zweite wärmeableitende Schichten oder Inlays vorgesehen sind, eine unterhalb des Halbleiterpackages und mit den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays verbundene und thermisch gekoppelte Kühlanordnung, aufweisend mindestens einen zwischen den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays angeordneten Isolator und einen auf dessen Unterseite angeordneten Kühlkörper, wobei zwischen Isolator und Kühlkörper und mit jeweils einem der Leistungshalbleiterelemente thermisch gekoppelte Metallelemente angeordnet sind, die derart strukturiert sind, dass sie als zusätzliche Wärmeableitung und Wärmespreizung der Leistungshalbleiterelemente und als zusätzliche Stromführung dienen.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass Highside-Schalter und Lowside-Schalter einander gegenüberliegend angeordnet sind, und der AC-Stromanschluss derart unterteilt ist, dass einer davon zwischen Highside-Schalter und Lowside-Schalter angeordnet ist, und ein anderer an dem äußeren Bereich der Leiterplatte, der an den DC- Plus-Stromanschluss anschließt, und der DC-Plus-Stromanschluss zwischen den beiden AC-Stromanschlüssen angeordnet ist, und das als AC-Stromführung dienende Metallelement sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse und des DC- Plus-Stromanschlusses erstreckt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktelemente je Reihe an Highside-Schalter und Lowside-Schalter in einem mittigen Bereich der Leiterplatte jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter oder Lowside-Schalter mit den zugehörigen Stromanschlüssen angeordnet sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass an den DC-Minus-Stromanschluss anschließend die Anordnung Leistungshalbleiterelemente, AC-Stromanschluss, Leistungshalbleiterelemente, DC-Plus-Stromanschluss wiederholt ist, oder wobei ein weiterer AC-Stromanschluss an dem äußeren Bereich der Leiterplatte vorgesehen ist, der an den DC-Minus-Stromanschluss anschließt, und wobei zwischen jedem der Stromanschlüsse zugehörige Highside- oder Lowside-Schalter angeordnet sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass AC-Stromanschlüsse an einem äußeren Bereich der Leiterplatte und kreuzförmig die Leiterplatte in mehrere Abschnitte teilend angeordnet sind, wobei ein mittiger Bereich der Leiterplatte nicht davon betroffen ist, und wobei zwei von den an den äußeren AC-Stromanschluss angrenzende Abschnitte und von einem der weiteren AC-Stromanschlüsse entweder vollständig oder teilweise voneinander getrennte Bereiche als DC-Plus-Stromanschlüsse gebildet sind, gefolgt von zwei durch den mittleren Bereich voneinander getrennten AC- Stromanschlüssen, wiederum gefolgt von zwei von einem der weiteren AC-Stromanschlüsse voneinander getrennten Bereichen, die als DC-Minus-Stromanschlüsse gebildet sind, wobei Highside-Schalter und Lowside-Schalter einander jeweils paarweise derart gegenüberliegen, dass die Highside-Schalter auf einem Bereich der Leiterplatte angeordnet sind, in dem die DC-Plus-Stromanschlüsse angeordnet sind, und die Lowside-Schalter auf einem Bereich der Leiterplatte angeordnet sind, in dem die DC-Minus-Stromanschlüsse angeordnet sind, und wobei das als AC-Stromfüh- rung dienende Metallelement sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse und des DC-Plus-Stromanschlusses erstreckt und das als DC-Minus-Stromführung gebildete Metallelement in zwei Teilelemente teilt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktierungen den Highside-Schaltern und Lowside-Schaltern zugeordnet sind, um diese mit den zugehörigen Stromanschlüssen zu kontaktieren, wobei die Kontaktelemente entweder in dem mittigen Bereich der Leiterplatte oder in einem Bereich zwischen dem AC-Stromanschluss an dem äußeren Bereich und dem geteilten DC-Plus-Stromanschluss angeordnet sind. In einer Ausführung sind Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen, die jeweils im mittigen Abschnitt zwischen DC-Plus-Stromanschluss und DC-Minus-Stroman- schluss und außerhalb des dazwischenliegenden AC-Stromanschlusses vorgesehen und entweder auf der Leiterplatte angeordnet oder darin integriert sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass der AC-Stromanschluss T-förmig in zwei zueinander senkrecht verlaufende AC-Teilanschlüsse unterteilt ist, von denen ein erster an einem äußeren Bereich der Leiterplatte und der zweite senkrecht dazu und mittig auf der Leiterplatte verläuft, und wobei jeweils ein DC-Minus-Stromanschluss und ein DC-Plus-Stromanschluss derart angeordnet sind, dass jeder auf einer anderen Seite des mittig auf der Leiterplatte verlaufenden AC-Teilanschlusses verläuft, wobei Highside-Schalter und Lowside-Schalter einander gegenüber auf jeweils einer Seite des mittigen AC-Teilanschlusses angeordnet sind, und wobei ein als AC-Strom- führung dienendes Metallelement sich flächig unterhalb der AC- und DC-Plus-Strom- anschlüsse erstreckt und ein als DC-Minus-Stromführung dienendes Metallelement sich flächig unterhalb der DC-Minus-Stromanschlusses erstreckt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktierungen den Highside-Schaltern und Lowside-Schaltern zugeordnet sind, um diese mit den zugehörigen Stromanschlüssen zu kontaktieren, wobei die Kontaktelemente in dem mittigen Bereich der Leiterplatte angeordnet sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass entweder nur der DC-Plus-Stromanschluss L-förmig gebildet ist, wobei DC-Plus-Stromanschluss und DC-Minus-Stromanschluss derart angeordnet sind, dass jeweils ein Schenkel davon parallel zu dem zweiten AC- Teilanschluss gebildet ist, so dass dieser in der Mitte der beiden Schenkel liegt, und der andere Schenkel des DC-Plus-Stromanschlusses parallel zu dem AC-Teilan- schluss am gegenüberliegenden äußeren Bereich der Leiterplatte verläuft, und ein weiteres, als DC-Plus-Stromführung dienendes Metallelement vorgesehen ist, das sich unterhalb des DC-Minus-Stromanschlusses Stromführung erstreckt, oder wobei sowohl DC-Plus-Stromanschluss als auch DC-Minus-Stromanschluss L-förmig gebildet und derart angeordnet sind, dass jeweils ein Schenkel davon parallel zu dem zweiten AC-Teilanschluss gebildet ist, so dass dieser in der Mitte der beiden Schenkel liegt, und der andere Schenkel des DC-Plus-Stromanschlusses parallel zu dem AC-Teilanschluss am äußeren Bereich der Leiterplatte und zwischen den beiden AC- Teilanschlüssen verläuft, und der andere Schenkel des DC-Minus-Stromanschlusses parallel zu dem AC-Teilanschluss an einer dem äußeren Bereich und gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte verläuft, und ein weiteres, als DC-Plus-Stromführung dienendes Metallelement vorgesehen ist, das sich unterhalb des DC-Plus-Stroman- schlusses erstreckt .
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass DC-Minus-Stromanschluss, DC-Plus- Stromanschluss und zweiter AC-Teilanschluss parallel zum ersten AC-Teilanschluss geteilt sind und in diesem Bereich die Kontaktelemente angeordnet sind, und das als AC-Stromführung dienende Metallelement sich flächig unterhalb der AC-Stroman- schlüsse und des DC-Plus-Stromanschlusses erstreckt und das als DC-Minus-Strom- führung gebildete Metallelement in zwei Teilelemente teilt.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass an einem äußeren Ende der Leiterplatte ein Teilbereich des AC-Stromanschlusses vorgesehen ist und daran anschließend ein DC-Plus-Stromanschluss, gefolgt von Highside-Schaltern und Lowside-Schaltern, die einander über einen weiteren Teilbereich des AC-Stromanschlusses gegenüber angeordnet sind, und wobei ein DC-Minus-Stromanschluss an einem dem DC-Plus- Stromanschluss gegenüberliegenden Ende vorgesehen ist, und wobei im mittigen Bereich der Leiterplatte zwischen den DC-Minus-Stromanschluss und DC-Plus- Stromanschluss keine Leistungshalbleiterelemente und kein AC-Stromanschluss vorgesehen sind, und wobei an den DC-Minus-Stromanschluss die Anordnung Leistungshalbleiterelemente mit dazwischen angeordnetem AC-Stromanschluss sowie darauffolgendem DC-Plus-Stromanschluss vorgesehen ist, und wobei das als AC- Stromführung dienende Metallelement sich flächig unterhalb der AC-Stroman- schlüsse und des DC-Plus-Stromanschlusses, sowie teilweise unterhalb des DC-Mi- nus-Stromanschluss erstreckt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktelemente je Block an Highside-Schaltern und Lowside-Schaltern in dem mittigen Bereich der Leiterplatte jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter oder Lowside-Schalter mit den zugehörigen Stromanschlüssen angeordnet sind. In einer Ausführung ist vorgesehen, dass an einem äußeren Ende der Leiterplatte ein Teilbereich des AC-Stromanschlusses vorgesehen ist und daran anschließend ein DC-Minus-Stromanschluss, gefolgt von Lowside-Schaltern und Highside-Schaltern, die einander über einen weiteren Teilbereich des AC-Stromanschlusses gegenüber angeordnet sind, und wobei im mittigen Bereich der Leiterplatte zwischen den DC- Minus-Stromanschluss und DC-Plus-Stromanschluss keine Leistungshalbleiterelemente und kein AC-Stromanschluss vorgesehen sind, und wobei an den DC-Plus- Stromanschluss die Anordnung Leistungshalbleiterelemente mit dazwischen angeordnetem AC-Stromanschluss sowie darauffolgendem DC-Minus-Stromanschluss vorgesehen ist, und wobei das als AC-Stromführung dienende Metallelement sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse und zumindest Teilen des zwischen den DC- Minus-Stromanschlüssen befindlichen DC-Plus-Stromanschlusses, sowie teilweise unterhalb des DC-Minus-Stromanschluss erstreckt und das als DC-Minus-Stromfüh- rung dienende Metallelement in drei Teile teilt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktelemente je Block an Highside-Schaltern und Lowside-Schaltern in dem mittigen Bereich der Leiterplatte jeweils zur Kontaktierung von Highside- Schalter oder Lowside-Schalter mit den zugehörigen Stromanschlüssen angeordnet sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass an den DC-Minus-Stromanschluss zusätzlich ein DC-Plus-Stromanschluss folgt und sich auf der Unterseite ein als DC-Plus- Stromführung dienendes weiteres Metallelement T-förmig vom äußeren DC-Plus- Stromanschluss bis zum mittigen DC-Plus-Stromanschluss derart erstreckt, dass es das als DC-Minus-Stromführung dienende Metallelement in vier Teile teilt.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass zusätzliche Treiberkomponenten auf der Oberseite der Leiterplatte oder darin integriert angeordnet und mit dafür vorgesehenen Kontaktelementen Pins kontaktierbar sind.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Kühlanordnung an der Unterseite des Halbleiterpackages als beidseitig metallisierter Isolator integriert ist, oder als externe Anordnung an dessen Unterseite verbunden ist. In einer Ausführung ist vorgesehen, dass Stromschienen zur Kontaktierung der Stromanschlüsse im Falle, dass die DC-Stromanschlüsse eine vorgegebene Länge überschreiten, derart gebildet sind, dass sie sich in vorgegebenen Bereichen verkürzen.
In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Leistungshalbleiterelemente als GaN- HEMT gebildet sind.
Ferner wird eine Leistungselektronikeinrichtung, insbesondere ein Wechselrichter, bereitgestellt, aufweisend das Leistungshalbleitermodul.
Außerdem wird ein elektrischer Antrieb, insbesondere ein elektrischer Achsantrieb, für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und der Leistungselektronikeinrichtung bereitgestellt.
Auch wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend den elektrischen Antrieb, insbesondere den elektrischen Achsantrieb und/oder die Leistungselektronikeinrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Figuren 3 bis 23 und 25, 26 zeigen unterschiedliche Designvarianten von Oberseite und Unterseite des Aufbaus Leistungshalbleitermoduls gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
Figur 24 zeigt ein Busbarkonzept gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Modul bzw. Package für neue, immer schneller schaltende Leistungshalbleiter bereitzustellen, das niedrigere Streuinduktivitäten, geringe parasitäre Kopplungen, sowie zusätzliche Gate-Treiber Komponenten im Package nahe am Halbleiter ermöglicht. Als laterale Leistungshalbleiter verwendbare Materialien sind solche Halbleiterverbindungen, die einen möglichst großen Bandabstand aufweisen, beispielsweise GaN (Galliumnitrid) oder Galliumoxid (ß-Ga2O3).
Um ein Modul bzw. Package für neue, immer schneller schaltende Leistungshalbleiter bereitzustellen, ist es nötig, bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen, d.h. es muss ein Halbbrücken-Package bereitgestellt werden, das für laterale Leistungshalbleiter optimiert ist. Außerdem ist zu beachten, dass eine Strom-Skalierung über die Anzahl der parallelen Leistungshalbleiter im Package oder die Anzahl der Packages pro Phase erfolgen muss. Ferner sind eine Oberseiten-Kontaktierung für die 3D-Kommu- tierungszelle, maximale Kriechstrecken bei minimaler Streuinduktivität der Kommutierungszelle, sowie kurze Signalkontaktierung für eine gute Gatekontrolle der in eine Leiterplatte (nachfolgend auch kurz PCB) integrierten Leistungshalbleiter vorzusehen. Außerdem muss das Konzept eine optimale Kontaktierung sowie Fanout (Aufspreizung der Kontakte) der Drain, Source und Gate (bei lateralen Bauteilen alles auf der Chip-Oberseite) ermöglichen. Auch sollten zusätzliche Gate-Treiberkomponenten direkt auf der Leiterplatte mit den integrierten Leistungshalbleitern durch eine zusätzliche Verdrahtungsebene vorgesehen werden können. Ebenso sollten Leistungshalbleiter, Treiberendstufen und Kontaktierungen in und/oder auf einem zusätzlichen Substrat, z.B. als PCB (organisch, keramisch) oder in PCB integriert, möglich sein.
Außerdem sollten bekannte Prozesse wie die Leistungskontaktierung z.B. über Laserschweißen, die Signalkontaktierung z.B. über Press-Fit oder Lötpin anwendbar sein. Die Rückseite des Packages sollte vorbereitet sein für stoffschlüssige Kühlerintegration für höchste Leistungsdichte des Systems durch z.B. Sintern, Löten, Verpressen mittels einem organischen Isolator etc., oder als Alternative sollte eine Verbindung mittels Nanowire möglich sein. Ebenso sollte eine isolierte und nicht-isolierte Rückseite (zur Kühlanbindung) möglich sein zur Anbindung des Kühlers über einen organischen Isolator, als IMS (Isolated Metal Substrate) oder als Substrat wie AMB/DBC/DPC.
Der grundsätzliche Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls ist in Figuren 1 (Stand der Technik) und 2 dargestellt. Gemeinsam mit dem Stand der Technik ist, dass das Leistungshalbleitermodul auf einer Oberseite davon angeordnete DC-Minus- und DC- Plus-Stromanschlüsse 48, 50 und mindestens einen AC-Stromanschluss 52 zur Kontaktierung zugehöriger Stromschienen 16, 18, 40 aufweist. Unterhalb der Stromanschlüsse 48, 50, 52 ist ein Halbleiterpackage 9 angeordnet, aufweisend wenigstens eine Leiterplatte 30 mit wenigstens zwei in die Leiterplatte 30 integrierten, d.h. eingebetteten, lateralen Leistungshalbleiterelementen 12, 14. Jeweils eines davon dient dabei als Highside-Schalter 12 und das andere als Lowside-Schalter 14. Die Leistungshalbleiterelemente 12, 14 sind außerdem mit den Stromanschlüssen 48, 50, 52 über erste, elektrisch leitfähige und wärmeableitende Schichten oder Inlays 20, 22, 38 elektrisch kontaktiert. Auf der gegenüberliegenden Seite zu den jeweiligen Leistungshalbleiterelementen 12, 14 und damit verbunden sind zweite, wärmeableitende Schichten oder Inlays 13, 15 vorgesehen, die je nach Ausführung elektrisch leitfähig sind und zumindest teilweise mit Source-Potential verbunden sind. Die Leistungshalbleiterelemente 12, 14 können wie im Stand der Technik mit den stromzuführenden Stromschienen 16, 18 über Vias 24, 26, 36, 44 kontaktiert sein. Ferner ist eine unterhalb des Halbleiterpackages 9 und mit den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays 13, 15 verbundene und thermisch gekoppelte Kühlanordnung 10, 46 vorgesehen, aufweisend mindestens einen zwischen den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays 13, 15 angeordneten Isolator 46 und einen auf dessen Unterseite angeordneten Kühlkörper 10. Anders als in Figur 1 (Stand der Technik) ist in Figur 2 zu sehen, dass zwischen Isolator 46 und Kühlkörper 10 und mit jeweils einem der Leistungshalbleiterelemente 12, 14 thermisch gekoppelte Metallelemente 101 , 102 angeordnet sind. Diese sind derart strukturiert, dass sie als zusätzliche Wärmeableitung und Wärmespreizung der Leistungshalbleiterelemente 12, 14 und in der in Figur 2 gezeigten Ausführung als zusätzliche elektrische DC-Minus-Stromführung des Lowside-Schalters 14 und als zusätzliche AC-Stromführung des Highside-Schalters 12 dienen. Es kann aber auch zumindest teilweise Source-Potential des jeweiligen Leistungshalbleiterelements 12, 14 angelegt werden. Die AC-Stromführung wird durch das Metallelement102 verbessert, da dadurch ein größerer Kupferquerschnitt als bisher vorhanden ist. Bisher ist lediglich unterhalb der Leistungshalbleiterelemente 12, 14 und oberhalb des Isolators 46 eine verhältnismäßig dünne Metallschicht 13, 15 (Fig. 1 ) vorgesehen. Durch das Vorsehen der Metallelemente 101 , 102, die mit der dünnen Metallschicht bzw. den Inlays 13, 15 über eine entsprechende Verbindungsschicht, z.B. eine Lot- oder Sinterschicht, verbunden ist, kann eine deutlich bessere Wärmeableitung, Wärmespreizung und auch eine höhere AC-Stromführung erreicht werden.
Die Kühlstruktur 10; 101 , 102, 46 kann an der Unterseite des Halbleiterpackages 9 als separate Kühlstruktur gebildet und mit der Leiterplatte 30 über ein entsprechendes Verfahren, z.B. Sintern, mechanisch und thermisch (zur Wärmeableitung) verbunden sein. Dabei kann der Isolator 46 als organischer Isolator gebildet sein.
Die Kühlstruktur 10, 101 , 102, 46 kann aber auch als beidseitig metallisierter Isolator, z.B. Keramik, an der Unterseite des Halbleiterpackages 9 integriert, oder Teil der Leiterplatte 30 sein, vergleichbar mit der Verwendung bzw. Integration einer IMS. Die Leiterplatte 30 kann Strom leitungsschichtlagen aufweisen, muss aber nicht. Sie besteht aus einem Substratmaterial mit vorgebbaren Eigenschaften. Bekannte Materialien sind bspw. FR-4, Teflon oder PTFE. Weiterhin kann das Substrat der Leiterplatte 30 organisch und keramisch als PCB oder als Embedded PCB oder als IMS Substrat ausgebildet sein. Wichtig ist lediglich, dass die lateralen Leistungshalbleiterelemente 12, 14 in der Leiterplatte 30 integriert, also darin vollständig eingebettet sind.
Aufbauend auf der in Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Grundstruktur werden nachfolgend unterschiedliche Packagedesigns vorgestellt. Dabei ist stets das untere Substrat (Unterseite) strukturiert und wird als Kontaktierungsebene und thermische Anbindung verwendet. Das obere Substrat (Oberseite) weist die Leistungshalbleiter 12, 14, z.B. GaN Halbleiter, sowie Treiberkomponenten und benötigte Kontaktierungen auf, und ist als sogenannte Embedded PCB gebildet, da zumindest die Leistungshalbleiter 12, 14 darin integriert sind. Außerdem sind alle sonstigen Kontaktierungen über eine (nicht gezeigte) Busbar (Stromschiene) mittels z.B. einer Schweißverbindung, sowie weitere Kontaktelemente 60 wie Signalpins oder flexible Leiterplattenstreifen, die wie die Signalpins eine Verbindung zwischen Halbleiter und Treiberplatine herstellen, vorgesehen und über z.B. Löten oder Pressfit verbunden.
In den nachfolgenden Figuren sind die Unterseiten jeweils als eine Durchsicht durch die Oberseite dargestellt. Außerdem sind die Kontaktelemente 60 in den gezeigten Ausführungen als Pins 60 (Signalpins) ausgeführt. Sie können aber auch als flexible Leiterplatte ausgeführt sein.
Figuren 3A und 4A zeigen jeweils eine Draufsicht auf eine Oberseite der Leiterplatte 30, und Figuren 3B und 4B zeigen jeweils die zugehörige Unterseite der Leiterplatte 30.
In Figur 3A sind auf der Oberseite in einem äußeren Bereich ein erster AC-
Stromanschluss 52 gefolgt von dem DC-Plus-Stromanschluss 50, gefolgt von einem zweiten AC-Stromanschluss 52 und wieder gefolgt von einem DC-Minus- Stromanschluss 48 angeordnet. n Figur 4A, welche eine bevorzugte Variante ist, ist die in Figur 3A gezeigte Variante gedoppelt, d.h. es folgt auf den DC-Minus- Stromanschluss 48 noch ein weiterer AC-Stromanschluss 52 sowie ein DC-Plus- Stromanschluss 50, der dann das äußere Ende bildet. In Figur 12 ist die in Figur 3A gezeigte Variante derart ergänzt, dass auf den DC-Minus-Stromanschluss 48 noch ein weiterer AC-Stromanschluss 52 folgt, der dann das äußere Ende bildet.
Außerdem ist die Anordnung der Stromschienen auf der Oberseite der Figuren 4A und 14 sind identisch, wobei sich sowohl die Unterseitenstruktur als auch die Anordnung der Kontaktelemente 60 und Treiberkomponenten 70 unterscheidet.
In beiden Ausführungen (Figuren 3 und 4) sind Highside-Schalter 12 und Lowside- Schalter 14 einander über den bzw. die AC-Stromanschlüsse 52, die nicht ganz außen liegen, hinweg gegenüberliegend angeordnet.
Die Unterseite ist derart gebildet, dass sie in zwei Teilbereiche aufgeteilt ist, von denen einer als Metallelement 102 zur AC-Stromführung und der andere als Metallelement 101 zur DC-Minus-Stromführung gebildet ist. Das als AC- Stromführung dienende Metallelement 102 erstreckt sich flächig unterhalb der AC- Stromanschlüsse 52.
In der in Figur 3B gezeigten Ausführung ist das Metallelement 102 als eine Fläche gebildet, die vom oberen AC-Stromanschluss 52 bis zur Mitte des zweiten AC- Stromanschlusses 52 reicht, während das Metallelement 101 daran in einem Abstand anschließt und bis zum unteren Ende der Leiterplatte 30 reicht.
In der in Figur 4B gezeigten Ausführung ist das Metallelement 102 als eine über die gesamte Unterseite der Leiterplatte 30 reichende Fläche gebildet, die von mehreren Metallelementen 101 im Bereich des in dieser Ausführung mittig auf der Oberseite der Leiterplatte 30 angeordneten DC-Minus-Stromanschlusses 48 unterbrochen wird. Alternativ kann das Metallelement 101 , wie in Figur 4C dargestellt, als eine nicht unterbrochene Fläche gebildet sein und auch das Metallelement 102 im selben Bereich wie die unterbrochenen Flächen in Figur 4B teilen. Weiter alternativ kann das Metallelement 101 , wie in Figur 4D gezeigt, als eine nicht unterbrochene Fläche gebildet sein und das Metallelement 102 im selben Bereich wie die unterbrochenen Flächen in Figur 4B teilen. In dieser Ausführung verläuft das Metallelement 102 dennoch an der Außenseite der Leiterplatte 30, so dass das Metallelement 101 sozusagen eine Insel im Metallelement 102 bildet. Der Vorteil hierbei ist, dass der Phasenstrom der unteren Halbbrücke nicht mehr unter den Treiberkomponenten durchfließt, sondern um diese herum. Dies bedeutet eine gesteigerte Störfestigkeit aufgrund einer geringeren Kopplung der AC-Strom-Potentiale in der LS- Gateansteuerung.
In der in Figur 13 gezeigten Ausführung ist das Metallelement 102 als eine über die gesamte Unterseite der Leiterplatte 30 reichende Fläche gebildet, die von zwei Metallelementen 101 im Bereich des in dieser Ausführung im unteren Bereich auf der Oberseite der Leiterplatte 30 angeordneten DC-Minus-Stromanschlusses 48 derart unterbrochen wird, dass das Metallelement 102 mittig zwischen den beiden Metallelementen 101 verläuft. In dieser Ausführung sind der zu dem oberen Highside-Schalter 12 zugehörige untere Lowside-Schalter 14 über das Metallelement 102 (AC-Stromführung) miteinander verbunden.
In den gezeigten Ausführungen sind mindestens zwei als Pins ausgeführte Kontaktelemente 60 je Reihe an Highside-Schalter 12 und Lowside-Schalter 14 in einem mittigen Bereich der Leiterplatte 30 jeweils zur Kontaktierung von Highside- Schalter 12 oder Lowside-Schalter 14 mit den zugehörigen Stromanschlüssen 48, 50, 52 angeordnet. Außerdem sind in Figuren 3 und 4 jeweils links und rechts von den Pins 60 zusätzliche Treiberkomponenten 70 vorgesehen, welche mit einem dritten Pin der Pins 60 kontaktiert werden. In Figur 13 sind die Pins 60 im Vergleich zu Figuren 3 und 4 um 90 Grad gedreht und es sind zusätzliche Treiberkomponenten 70 jeweils oberhalb und unterhalb der Pins 60 vorgesehen. Diese werden mit dem dritten Pin der Pins 60 kontaktiert.
In Figuren 5, 7, 8 und 9 ist jeweils eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 6 ist die zu allen zugehörige Unterseite gezeigt. In den in Figuren 5, 8 und 9 gezeigten Ausführungen sind AC-Stromanschlüsse 52 an einem äußeren Bereich der Leiterplatte 30 und die Leiterplatte 30 kreuzförmig in mehrere Abschnitte teilend angeordnet. Das heißt, dass ein Teil des AC- Stromanschlusses 52 am oberen Ende der Leiterplatte 30 vorgesehen ist. Ein weiterer Teil ist direkt darunter und in einem Abstand dazu vorgesehen und von zwei DC-Plus-Stromanschlüssen 50 flankiert. An dem gegenüberliegenden Endbereich ist ein weiterer AC-Stromanschluss 52 vorgesehen, der von zwei DC-Minus- Stromanschlüssen 48 flankiert ist. Zwischen jeweils einem DC-Minus- Stromanschluss 48 und einem DC-Plus-Stromanschluss 50 ist jeweils ein weiterer AC-Stromanschluss 52 angeordnet. Ein mittiger Bereich der Leiterplatte ist von keinem Stromanschluss 48, 50, 52 belegt, d.h. dieser Bereich ist frei und wird für die hier als Pins ausgeführten Kontaktelemente 60 und zusätzliche Treiberkomponenten 70 verwendet.
In der in Figur 7 gezeigten Ausführung ist der einzige Unterschied zu der in Figur 5 gezeigten Ausführung, dass die beiden DC-Plus-Stromanschlüsse 50 auf der Oberseite der Leiterplatte 30 miteinander über einen DC-Plus-Steg verbunden sind. Der DC-Plus-Steg verläuft zwischen den beiden AC-Stromanschlüssen 52 im oberen Bereich der Leiterplatte 30.
In der in Figur 9 gezeigten Ausführung ist der einzige Unterschied zu der in Figur 5 gezeigten Ausführung, dass an Seitenbereichen der Leiterplatte 30 und jeweils anschließend an die AC-Stromanschlüsse 52 Zwischenkreiskondensatoren 80 vorgesehen sind. Diese können als separate Bauteile auf der Leiterplatte 30 angeordnet oder darin integriert sein.
Jeweils zwischen einem AC-Stromanschluss 52 und einem DC-Minus- Stromanschluss 48 bzw. einem DC-Plus-Stromanschluss 50 sind einander jeweils paarweise gegenüberliegende Highside-Schalter 12 bzw. Lowside-Schalter 14 angeordnet. Highside-Schalter 12 sind mit den DC-Plus-Stromanschlüssen 50 kontaktiert und Lowside-Schalter 14 sind mit den DC-Minus-Stromanschlüssen 48 kontaktiert. Auf der Unterseite der Leiterplatte 30 erstreckt sich das als AC-Stromführung dienende Metallelement 102 in beiden Ausführungen flächig unterhalb der AC- Stromanschlüsse 52 und des DC-Plus-Stromanschlusses 50, und teilt das als DC- Minus-Stromführung gebildete Metallelement 101 in zwei Teilelemente.
Ebenfalls gleich ist in den in Figuren 5, 7 und 9 gezeigten Ausführungen, dass auf der Oberseite mindestens zwei als Pins 60 ausgeführte Kontaktelemente den Highside-Schaltern 12 und Lowside-Schaltern 14 zugeordnet sind, um diese mit den zugehörigen Stromanschlüssen 48, 50, 52 zu kontaktieren, wobei die Pins 60 in dem mittigen Bereich der Leiterplatte 30 angeordnet sind. Oberhalb und unterhalb der Pins 60 sind zusätzliche Treiberkomponenten 70, die mit dem dritten Pin 60 kontaktiert werden können.
Lediglich in der in Figur 8 gezeigten Ausführung sind die als Pins 60 ausgeführten Kontaktelemente in einem Bereich zwischen dem AC-Stromanschluss 52 an dem äußeren Bereich und dem geteilten DC-Plus-Stromanschluss 50 angeordnet.
Zusätzliche Treiberkomponenten 70, die mit dem dritten Pin 60 kontaktiert werden können, sind in dieser Ausführung mittig auf der Leiterplatte 30 angeordnet (wie in den in Figuren 5, 7 und 9 gezeigten Ausführungen).
In Figur 20 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 21 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. In dieser Ausführung ist auf der Oberseite der AC-Stromanschluss 52 T-förmig in zwei zueinander senkrecht verlaufende AC-Teilanschlüsse 52 unterteilt, von denen ein erster an einem äußeren Bereich der Leiterplatte 30 und der zweite senkrecht dazu und mittig auf der Leiterplatte 30 verläuft. Jeweils ein DC-Minus-Stromanschluss 48 und ein DC-Plus-Stromanschluss 50 sind links bzw. rechts vom mittig verlaufenden AC- Stromanschluss 52 angeordnet. Highside-Schalter 12 und Lowside-Schalter 14 sind einander gegenüber auf jeweils einer Seite des mittigen AC-Teilanschlusses 52 angeordnet. Außerdem sind mindestens zwei als Pins 60 ausgeführte Kontaktelemente den Highside-Schaltern 12 und Lowside-Schaltern 14 zugeordnet, um diese mit den zugehörigen Stromanschlüssen 48, 50, 52 zu kontaktieren, wobei die Pins 60 in dem mittigen Bereich der Leiterplatte 30 angeordnet sind. Oberhalb und unterhalb der Pins 60 sind zusätzliche Treiberkomponenten 70, die mit dem dritten Pin 60 kontaktiert werden können.
Auf der Unterseite erstrecken sich jeweils ein als AC-Stromführung dienendes Metallelement 102 und ein als DC-Minus-Stromführung dienendes Metallelement 101 flächig unterhalb der Stromanschlüsse 48, 50, 52, wobei das Metallelement 102 sich auch unterhalb des DC-Plus-Stromanschlusses 50 erstreckt.
In Figur 25 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 26 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. Diese Ausführung unterscheidet sich zu der in Figur 20 gezeigten Ausführung dadurch, dass in dieser Ausführung auf der Oberseite der DC-Minus-Stromanschluss 48, der DC-Plus- Stromanschluss 50 und der zweite AC-Teilanschluss 52 parallel zum ersten AC- Teilanschluss 52 geteilt sind, wobei in diesem Bereich die als Pins 60 ausgeführten Kontaktelemente angeordnet sind. Das als AC-Stromführung dienende Metallelement 102 erstreckt sich auf der Unterseite flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse 52 und des DC-Plus-Stromanschlusses 50 und teilt das als DC-Minus-Stromführung gebildete Metallelement 101 in zwei Teilelemente.
In Figur 22 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 23 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. Diese Ausführung ist ähnlich zu der in Bezug auf Figuren 20 und 21 beschriebenen Ausführung. Lediglich ist hier auf der Oberseite der Leiterplatte 20 der DC-Plus-Stromanschluss 50 L-förmig gebildet, wobei DC-Plus-Stromanschluss 50 und DC-Minus-Stromanschluss 48 derart angeordnet sind, dass jeweils ein Schenkel davon parallel zu dem zweiten AC- Teilanschluss 52 gebildet ist, so dass dieser in der Mitte der beiden Schenkel liegt. Der andere Schenkel des DC-Plus-Stromanschlusses 50 verläuft parallel zu dem AC- Teilanschluss 52 am gegenüberliegenden äußeren Bereich der Leiterplatte 30. Auf der Unterseite der Leiterplatte 30 ist ein weiteres, als DC-Plus-Stromführung dienendes Metallelement 103 vorgesehen, das sich unterhalb des auf der Oberseite befindlichen DC-Minus-Stromanschlusses 48 erstreckt. Durch die Überlappungen von DC-Plus- und DC-Minus-Stromführungen kommt es zu einer Verringerung der Streuinduktivität. In Figur 10 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 11 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. Diese Ausführung ist ähnlich zu der in Bezug auf Figuren 20 und 21 beschriebenen Ausführung. Lediglich sind hier auf der Oberseite der Leiterplatte 20 sowohl der DC-Plus-Stromanschluss 50 als auch DC-Minus-Stromanschluss 48 L-förmig gebildet und derart angeordnet, dass jeweils ein Schenkel davon parallel zu dem zweiten AC-Teilanschluss 52 gebildet ist. Das ursprüngliche „T“ wird also durch einen Schenkel des der DC-Plus- Stromanschluss 50 in zwei AC-Teilanschlüsse 52 geteilt. Somit liegt der zweite AC- Teilanschluss 52 in der Mitte der beiden Schenkel und es verlaufen alle drei Schenkel parallel zueinander. Der andere Schenkel des DC-Plus-Stromanschlusses 50 verläuft parallel zu dem AC-Teilanschluss 52 am äußeren Bereich der Leiterplatte 30 und zwischen den beiden AC-Teilanschlüssen 52. Der andere Schenkel des DC- Minus-Stromanschlusses 48 verläuft parallel zu dem AC-Teilanschluss 52 an einer dem äußeren Bereich und gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 30. Ferner ist auf der Unterseite der Leiterplatte 30 ein weiteres, als DC-Plus-Stromführung dienendes Metallelement 103 vorgesehen, das sich unterhalb DC-Plus- Stromanschlusses 50 erstreckt.
In Figur 14 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 15 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. In dieser Ausführung ist auf der Oberseite der Leiterplatte 30 an einem äußeren Ende der Leiterplatte 30 ein Teilbereich des AC-Stromanschlusses 52 vorgesehen und daran anschließend ein DC-Plus-Stromanschluss 50, gefolgt von Highside-Schaltern 12 und Lowside- Schaltern 14, die einander über einen weiteren Teilbereich des AC- Stromanschlusses 52 gegenüber angeordnet sind. Ein DC-Minus-Stromanschluss 48 ist an einem dem DC-Plus-Stromanschluss 50 gegenüberliegenden Ende vorgesehen. Im mittigen Bereich der Leiterplatte 30 zwischen den DC-Minus- Stromanschluss 48 und DC-Plus-Stromanschluss 50 sind keine Leistungshalbleiterelemente 12, 14 und kein AC-Stromanschluss 52 vorgesehen. Hier sind lediglich als Pins 60 ausgeführte Kontaktelemente und zusätzliche Treiberkomponenten 70 vorgesehen. An den DC-Minus-Stromanschluss 48 folgend ist die Anordnung Leistungshalbleiterelemente 12, 14 mit dazwischen angeordnetem AC-Stromanschluss 52 sowie darauffolgendem DC-Plus-Stromanschluss 50 vorgesehen. Auf der Unterseite der Leiterplatte 30 erstreckt sich das als AC- Stromführung dienende Metallelement 102 flächig unterhalb der AC- Stromanschlüsse 52 und des DC-Plus-Stromanschlusses 50, sowie teilweise unterhalb des DC-Minus-Stromanschlusses 48. Dabei wird das Metallelement 102 im Bereich des (auf der Oberseite befindlichen) DC-Minus-Stromanschlusses 48 von dem Metallelement 101 verengt. Ferner sind mindestens zwei Pins 60 je Block an Highside-Schaltern 12 und Lowside-Schaltern 14 in dem mittigen Bereich der Leiterplatte 30 jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter 12 oder Lowside- Schalter 14 mit den zugehörigen Stromanschlüssen 48, 50, 52 angeordnet.
Außerdem können zusätzliche Treiberkomponenten 70 vorgesehen sein.
In Figur 18 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 19 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. In dieser Ausführung ist auf der Oberseite der Leiterplatte 30 an einem äußeren Ende der Leiterplatte 30 ein Teilbereich des AC-Stromanschlusses 52 vorgesehen, Daran anschließend ist ein DC-Minus-Stromanschluss 48, gefolgt von Lowside-Schaltern 14 und Highside- Schaltern 12, die einander über einen weiteren Teilbereich des AC- Stromanschlusses 52 gegenüber angeordnet sind. Ein DC-Plus-Stromanschluss 50 ist an einem dem DC-Minus-Stromanschluss 48 gegenüberliegenden Ende vorgesehen, und im mittigen Bereich der Leiterplatte 30 zwischen dem DC-Minus- Stromanschluss 48 und dem DC-Plus-Stromanschluss 50 sind keine
Leistungshalbleiterelemente 12, 14 und kein AC-Stromanschluss 52 vorgesehen. An den DC-Plus-Stromanschluss 50 anschließend ist die Anordnung Leistungshalbleiterelemente 12, 14 mit dazwischen angeordnetem AC- Stromanschluss 52 sowie darauffolgendem DC-Minus-Stromanschluss 48 vorgesehen.
Auf der Unterseite der Leiterplatte 30 erstreckt sich das als AC-Stromführung dienende Metallelement 102 flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse 52 und zumindest Teilen des zwischen den DC-Minus-Stromanschlüssen 48 befindlichen DC-Plus-Stromanschlusses 50, sowie teilweise unterhalb des DC-Minus- Stromanschluss 48. So werden Teile des Metallelements 102 von Teilen des Metallelements 101 flankiert, so dass dieses in drei Teilbereiche aufgeteilt ist, die sich jeweils unterhalb des zugehörigen DC-Minus-Stromanschlusses 48 befinden Ferner sind mindestens zwei als Pins 60 ausgeführte Kontaktelemente je Block an Highside-Schaltern 12 und Lowside-Schaltern 14 in dem mittigen Bereich der Leiterplatte 30 jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter 12 oder Lowside- Schalter 14 mit den zugehörigen Stromanschlüssen 48, 50, 52 angeordnet.
In Figur 16 ist eine Oberseite einer Leiterplatte 30 gemäß einer weiteren Ausführung gezeigt. In Figur 17 ist die dazu zugehörige Unterseite gezeigt. Diese Ausführung unterscheidet sich von der in Figuren 18 und 19 gezeigten Ausführung darin, dass an den DC-Minus-Stromanschluss 48 zusätzlich ein DC-Plus-Stromanschluss 50 folgt. Außerdem erstreckt sich auf der Unterseite der Leiterplatte 30 ein als DC-Plus- Stromführung dienendes weiteres Metallelement 103 T-förmig vom äußeren DC- Plus-Stromanschluss 50 bis zum mittigen DC-Plus-Stromanschluss 50. Das Metallelement 103 weist hier die Form eines umgedrehten „T“ auf. Sowohl Teile des Metallelements 103 als auch Teile des Metallelements 102 werden von Teilen des Metallelements 101 flankiert, so dass dieses in vier Teilbereiche aufgeteilt ist, die sich jeweils unterhalb des zugehörigen DC-Minus-Stromanschlusses 48 befinden.
In allen Ausführungen werden auf der Oberseite der Leiterplatte 30 die Stromanschlüsse 48, 50, 52 mittels Stromschienen (Busbars) kontaktiert. Diese sind in ihrer Form auf das jeweilige Design der Leiterplatte 30 angepasst. Die Form der Busbars ist abhängig von der Anordnung der Bauteile, d.h. sowohl der Stromanschlüsse 48, 50, 52, als auch der als Pins 60 ausgeführten Kontaktelemente und der Treiberbausteine 70. So kann beispielsweise ein Teilbereich oder die komplette Mitte der Leiterplatte 30 frei bleiben.
Bei den in Figuren 20 bis 23 gezeigten Ausführungen können die DC-Minus- und die DC-Plus-Busbar, wie in Figur 24 gezeigt, kondensatorseitig eingeschnürt werden, was zu einer geringen Erhöhung der Streuinduktivität führt, aber die Symmetrie der Ströme verbessert. Durch das Einschnüren bzw. Verkürzen der Busbar wird die Länge der Stromführung verkürzt und damit eine gleichmäßigere Stromverteilung erreicht. Welche der Busbars an welcher Stelle ist und wie diese kontaktiert wird, kann abhängig von der Ausführung bestimmt werden.
Grundsätzlich ist beim Design zu beachten, dass HEMTs auf der Substratseite Source-Potential haben müssen, also AC bei den Highside-Schaltern 12 und DC- Minus bei den Lowside-Schaltern 14.
Grundsätzlich sind alle Metallelemente 101 -103 auf der Unterseite der Leiterplatte 30 elektrisch voneinander getrennt, z.B. über einen geeigneten Abstand.
Es können auch lediglich Kontaktelemente 60 nur für die Gatekontaktierung, z.B. als zwei Pins oder als flexible Leiterplatte vorhanden sein. Diese dienen zur Kontaktierung von Highside-Schalter 12 oder Lowside-Schalter 14 mit den zugehörigen Stromanschlüssen 48, 50, 52. Ein weiteres Kontaktelement, z.B. ein dritter Pin oder ein Anschluss einer flexiblen Leiterplatte, kann vorhanden sein, um zusätzliche Treiberkomponenten 70 zu kontaktieren.
Bisher wurde ein Design für Leistungshalbleitermodule unter Bezugnahme auf Halbbrückenpackages vorgestellt. Allerdings ist dieses Konzept auch auf Vollbrücken anwendbar. Um eine Vollbrücke zu realisieren, werden mehrere Halbbrücken (aus Highside- und Lowside-Schaltern 12, 14 auf der Oberseite der Leiterplatte 30 angeordnet. Vorteilhaft bei diesem Design ist, dass jeweils nur eine einzige DC- Minus- und eine DC-Plus-Busbar für alle Phasen verwendet werden muss. Es kann aber auch eine DC-Minus- und eine DC-Plus-Busbar pro Phase verwendet werden.
Die vorgeschlagenen Leistungshalbleitermodule sind skalierbar, indem sie parallel zueinander verbunden werden. Um die Leiterplatten 30 wieder zu trennen, kann ein geeigneter Abstand vorgesehen sein, an dem die Leiterplatte 30 keine Bauteile aufweist und somit auseinandergeschnitten werden kann.
Das Leistungshalbleitermodul kann Teil eines Elektronikmoduls sein und findet Anwendung im Bereich der Leistungselektronik, insbesondere bei Leistungselektronikeinrichtungen wie Invertern im Bereich der Elektromobilität. Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierten Achsen (elektrischer Achsantrieb). Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engi.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder eine PFC-Stufe und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC- Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
Bezuqszeichenliste
13, 15, 20, 22, 38 Metallschicht bzw. Inlay
12 Highside-Schalter (HSS)
14 Lowside-Schalter (LSS)
16 DC- Stromschiene/Busbar
18 DC+ Stromschiene/Busbar
40 AC- Stromschiene/Busbar
48 DC-Minus-Stromanschluss
50 DC-Plus-Stromanschluss
52 AC-Stromanschluss
DC+ DC-Plus-Stromführung
DC- DC-Minus-Stromführung
AC AC-Stromführung
60 Kontaktelement, z.B. Pins oder flexible Leiterplatte
70 zusätzliche Treiberkomponenten
80 Zwischenkreiskondensatoren
8 Halbleitermodul
9 Halbleiterpackage
10 Kühlkörper
101 , 102 Metallelemente
24, 26, 36, 44 Via
46 Isolator
30 Leiterplatte

Claims

Patentansprüche
1 . Leistungshalbleitermodul, aufweisend
- auf einer Oberseite davon angeordnete DC-Minus- und DC-Plus- Stromanschlüsse (48, 50) und mindestens einen AC-Stromanschluss (52) zur Kontaktierung zugehöriger Stromschienen (16, 18, 40),
- ein unterhalb der Stromanschlüsse (48, 50, 52) angeordnetes Halbleiterpackage (9), aufweisend wenigstens eine Leiterplatte (30) mit wenigstens zwei in die Leiterplatte (30) eingebetteten, lateralen Leistungshalbleiterelementen (12, 14), von denen jeweils eines als Highside-Schalter (12) und eines als Lowside- Schalter (14) dient, und wobei die Leistungshalbleiterelemente (12, 14) mit den Stromanschlüssen (48, 50, 52) über erste elektrisch leitfähige und wärmeableitende Schichten oder Inlays (20, 22, 38) elektrisch kontaktiert sind, und auf der gegenüberliegenden Seite zu den jeweiligen Leistungshalbleiterelementen (12, 14) und damit verbundene zweite wärmeableitende Schichten oder Inlays (13, 15) vorgesehen sind,
- eine unterhalb des Halbleiterpackages (9) und mit den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays (13, 15) verbundene und thermisch gekoppelte Kühlanordnung (10, 46), aufweisend mindestens einen zwischen den zweiten wärmeableitenden Schichten oder Inlays (13, 15) angeordneten Isolator (46) und einen auf dessen Unterseite angeordneten Kühlkörper (10), wobei zwischen Isolator (46) und Kühlkörper (10) und mit jeweils einem der Leistungshalbleiterelemente (12, 14) thermisch gekoppelte Metallelemente (101 , 102) angeordnet sind, die derart strukturiert sind, dass sie als zusätzliche Wärmeableitung und Wärmespreizung der Leistungshalbleiterelemente (12, 14) und als zusätzliche Stromführung dienen.
2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 , wobei
- Highside-Schalter (12) und Lowside-Schalter (14) einander gegenüberliegend angeordnet sind, und
- der AC-Stromanschluss (52) derart unterteilt ist, dass einer davon zwischen Highside-Schalter (12) und Lowside-Schalter (14) angeordnet ist, und ein anderer an dem äußeren Bereich der Leiterplatte (30), der an den DC-Plus-Stromanschluss (50) anschließt, und
- der DC-Plus-Stromanschluss (50) zwischen den beiden AC- Stromanschlüssen (52) angeordnet ist, und
- das als AC-Stromführung dienende Metallelement (102) sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse (52) und des DC-Plus-Stromanschlusses (50) erstreckt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktelemente (60) je Reihe an Highside-Schalter (12) und Lowside-Schalter (14) in einem mittigen Bereich der Leiterplatte (30) jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter (12) oder Lowside- Schalter (14) mit den zugehörigen Stromanschlüssen (48, 50, 52) angeordnet sind.
3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, wobei an den DC-Minus-Stromanschluss (48) anschließend die Anordnung Leistungshalbleiterelemente (12, 14), AC-Stromanschluss (52), Leistungshalbleiterelemente (12, 14), DC-Plus-Stromanschluss (50) wiederholt ist, oder wobei ein weiterer AC-Stromanschluss (52) an dem äußeren Bereich der Leiterplatte (30) vorgesehen ist, der an den DC-Minus-Stromanschluss (48) anschließt, und wobei zwischen jedem der Stromanschlüsse (48, 50, 52) zugehörige Highside- oder Lowside-Schalter (12, 14) angeordnet sind.
4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 , wobei AC-Stromanschlüsse (52) an einem äußeren Bereich der Leiterplatte (30) und kreuzförmig die Leiterplatte (30) in mehrere Abschnitte teilend angeordnet sind, wobei ein mittiger Bereich der Leiterplatte nicht davon betroffen ist, und wobei zwei von den an den äußeren AC-Stromanschluss (52) angrenzende Abschnitte und von einem der weiteren AC-Stromanschlüsse (52) entweder vollständig oder teilweise voneinander getrennte Bereiche als DC-Plus- Stromanschlüsse (50) gebildet sind, gefolgt von zwei durch den mittleren Bereich voneinander getrennten AC-Stromanschlüssen (52), wiederum gefolgt von zwei von einem der weiteren AC-Stromanschlüsse (52) voneinander getrennten Bereichen, die als DC-Minus-Stromanschlüsse (48) gebildet sind, wobei Highside-Schalter (12) und Lowside-Schalter (14) einander jeweils paarweise derart gegenüberliegen, dass die Highside-Schalter (12) auf einem Bereich der Leiterplatte (30) angeordnet sind, in dem die DC-Plus-Stromanschlüsse (50) angeordnet sind, und die Lowside-Schalter (14) auf einem Bereich der Leiterplatte (30) angeordnet sind, in dem die DC-Minus-Stromanschlüsse (48) angeordnet sind, und wobei das als AC-Stromführung dienende Metallelement (102) sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse (52) und des DC-Plus-Stromanschlusses (50) erstreckt und das als DC-Minus-Stromführung gebildete Metallelement (101 ) in zwei Teilelemente teilt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktierungen (60) den Highside- Schaltern (12) und Lowside-Schaltern (14) zugeordnet sind, um diese mit den zugehörigen Stromanschlüssen (48, 50, 52) zu kontaktieren, wobei die Kontaktelemente (60) entweder in dem mittigen Bereich der Leiterplatte (30) oder in einem Bereich zwischen dem AC-Stromanschluss (52) an dem äußeren Bereich und dem geteilten DC-Plus-Stromanschluss (50) angeordnet sind.
5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, wobei Zwischenkreiskondensatoren (80) vorgesehen sind, die jeweils im mittigen Abschnitt zwischen DC-Plus- Stromanschluss (50) und DC-Minus-Stromanschluss (48) und außerhalb des dazwischenliegenden AC-Stromanschlusses (52) vorgesehen und entweder auf der Leiterplatte (30) angeordnet oder darin integriert sind.
6. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 , wobei der AC-Stromanschluss (52) T- förmig in zwei zueinander senkrecht verlaufende AC-Teilanschlüsse (52) unterteilt ist, von denen ein erster an einem äußeren Bereich der Leiterplatte (30) und der zweite senkrecht dazu und mittig auf der Leiterplatte (30) verläuft, und wobei jeweils ein DC- Minus-Stromanschluss (48) und ein DC-Plus-Stromanschluss (50) derart angeordnet sind, dass jeder auf einer anderen Seite des mittig auf der Leiterplatte (30) verlaufenden AC-Teilanschlusses (52) verläuft, wobei Highside-Schalter (12) und Lowside-Schalter (14) einander gegenüber auf jeweils einer Seite des mittigen AC-Teilanschlusses (52) angeordnet sind, und wobei ein als AC-Stromführung dienendes Metallelement (102) sich flächig unterhalb der AC- und DC-Plus-Stromanschlüsse (50, 52) erstreckt und ein als DC-Minus- Stromführung dienendes Metallelement (101 ) sich flächig unterhalb des DC-Minus- Stromanschlusses (48, 50, 52) erstreckt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktierungen (60) den Highside- Schaltern (12) und Lowside-Schaltern (14) zugeordnet sind, um diese mit den zugehörigen Stromanschlüssen (48, 50, 52) zu kontaktieren, wobei die Kontaktelemente (60) in dem mittigen Bereich der Leiterplatte (30) angeordnet sind.
7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei entweder nur der DC-Plus-Stromanschluss (50) L-förmig gebildet ist, wobei DC-Plus- Stromanschluss (50) und DC-Minus-Stromanschluss (48) derart angeordnet sind, dass jeweils ein Schenkel davon parallel zu dem zweiten AC-Teilanschluss (52) gebildet ist, so dass dieser in der Mitte der beiden Schenkel liegt, und der andere Schenkel des DC-Plus-Stromanschlusses (50) parallel zu dem AC-Teilanschluss (52) am gegenüberliegenden äußeren Bereich der Leiterplatte (30) verläuft, und ein weiteres, als DC-Plus-Stromführung dienendes Metallelement (103) vorgesehen ist, das sich unterhalb des DC-Minus-Stromanschlusses (48) erstreckt, oder wobei sowohl DC-Plus-Stromanschluss (50) als auch DC-Minus-Stromanschluss (48) L-förmig gebildet und derart angeordnet sind, dass jeweils ein Schenkel davon parallel zu dem zweiten AC-Teilanschluss (52) gebildet ist, so dass dieser in der Mitte der beiden Schenkel liegt, und der andere Schenkel des DC-Plus- Stromanschlusses (50) parallel zu dem AC-Teilanschluss (52) am äußeren Bereich der Leiterplatte (30) und zwischen den beiden AC-Teilanschlüssen (52) verläuft, und der andere Schenkel des DC-Minus-Stromanschlusses (48) parallel zu dem AC- Teilanschluss (52) an einer dem äußeren Bereich und gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (30) verläuft, und ein weiteres, als DC-Plus-Stromführung dienendes Metallelement (103) vorgesehen ist, das sich unterhalb des DC-Plus- Stromanschlusses (50) erstreckt.
8. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, wobei DC-Minus-Stromanschluss (48), DC-Plus-Stromanschluss (50) und zweiter AC-Teilanschluss (52) parallel zum ersten AC-Teilanschluss (52) geteilt sind und in diesem Bereich die Kontaktelemente (60) angeordnet sind, und das als AC-Stromführung dienende Metallelement (102) sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse (52) und des DC-Plus-Stromanschlusses (50) erstreckt und das als DC-Minus-Stromführung gebildete Metallelement (101 ) in zwei Teilelemente teilt,
9. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 , wobei an einem äußeren Ende der Leiterplatte (30) ein Teilbereich des AC- Stromanschlusses (52) vorgesehen ist und daran anschließend ein DC-Plus- Stromanschluss (50), gefolgt von Highside-Schaltern (12) und Lowside-Schaltern (14), die einander über einen weiteren Teilbereich des AC-Stromanschlusses (52) gegenüber angeordnet sind, und wobei ein DC-Minus-Stromanschluss (48) an einem dem DC-Plus-Stromanschluss (50) gegenüberliegenden Ende vorgesehen ist, und wobei im mittigen Bereich der Leiterplatte (30) zwischen den DC-Minus- Stromanschluss (48) und DC-Plus-Stromanschluss (50) keine
Leistungshalbleiterelemente (12, 14) und kein AC-Stromanschluss (52) vorgesehen sind, und wobei an den DC-Minus-Stromanschluss (48) die Anordnung Leistungshalbleiterelemente (12, 14) mit dazwischen angeordnetem AC- Stromanschluss (52) sowie darauffolgendem DC-Plus-Stromanschluss (50) vorgesehen ist, und wobei das als AC-Stromführung dienende Metallelement (102) sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse (52) und des DC-Plus-Stromanschlusses (50), sowie teilweise unterhalb des DC-Minus-Stromanschluss (48) erstreckt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktelemente (60) je Block an Highside-Schaltern (12) und Lowside-Schaltern (14) in dem mittigen Bereich der Leiterplatte (30) jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter (12) oder Lowside- Schalter (14) mit den zugehörigen Stromanschlüssen (48, 50, 52) angeordnet sind.
10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 , wobei an einem äußeren Ende der Leiterplatte (30) ein Teilbereich des AC- Stromanschlusses (52) vorgesehen ist und daran anschließend ein DC-Minus- Stromanschluss (48), gefolgt von Lowside-Schaltern (14) und Highside-Schaltern (12), die einander über einen weiteren Teilbereich des AC-Stromanschlusses (52) gegenüber angeordnet sind, und wobei im mittigen Bereich der Leiterplatte (30) zwischen den DC-Minus- Stromanschluss (48) und DC-Plus-Stromanschluss (50) keine
Leistungshalbleiterelemente (12, 14) und kein AC-Stromanschluss (52) vorgesehen sind, und wobei an den DC-Plus-Stromanschluss (50) die Anordnung Leistungshalbleiterelemente (12, 14) mit dazwischen angeordnetem AC- Stromanschluss (52) sowie darauffolgendem DC-Minus-Stromanschluss (48) vorgesehen ist, und wobei das als AC-Stromführung dienende Metallelement (102) sich flächig unterhalb der AC-Stromanschlüsse (52) und zumindest Teilen des zwischen den DC-Minus- Stromanschlüssen (48) befindlichen DC-Plus-Stromanschlusses (50), sowie teilweise unterhalb des DC-Minus-Stromanschluss (48) erstreckt und das als DC-Minus- Stromführung dienende Metallelement (101 ) in drei Teile teilt, und wobei mindestens als Gatekontakt gebildete Kontaktelemente je Block an Highside- Schaltern (12) und Lowside-Schaltern (14) in dem mittigen Bereich der Leiterplatte (30) jeweils zur Kontaktierung von Highside-Schalter (12) oder Lowside-Schalter (14) mit den zugehörigen Stromanschlüssen (48, 50, 52) angeordnet sind.
11. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 10, wobei an den DC-Minus- Stromanschluss (48) zusätzlich ein DC-Plus-Stromanschluss (50) folgt und sich auf der Unterseite ein als DC-Plus-Stromführung dienendes weiteres Metallelement (103) T-förmig vom äußeren DC-Plus-Stromanschluss (50) bis zum mittigen DC- Plus-Stromanschluss (50) derart erstreckt, dass es das als DC-Minus-Stromführung dienende Metallelement (101 ) in vier Teile teilt.
12. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzliche Treiberkomponenten (70) auf der Oberseite der Leiterplatte (30) oder darin integriert angeordnet und mit dafür vorgesehenen Kontaktelementen (60) kontaktierbar sind.
13. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlanordnung (10, 46) an der Unterseite des Halbleiterpackages (9) als beidseitig metallisierter Isolator integriert ist, oder als externe Anordnung an dessen Unterseite verbunden ist.
14. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Stromschienen (16, 18) zur Kontaktierung der Stromanschlüsse (48, 50) im Falle, dass die DC-Stromanschlüsse (48, 50) eine vorgegebene Länge überschreiten, derart gebildet sind, dass sie sich in vorgegebenen Bereichen verkürzen.
15. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungshalbleiterelemente (12, 14) als GaN-HEMT gebildet sind.
16. Leistungselektronikeinrichtung, insbesondere Wechselrichter, aufweisend ein Leistungshalbleitermodul, das nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
17. Elektrischer Antrieb, insbesondere elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einer Leistungselektronikeinrichtung, wobei die Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 16 ausgebildet ist.
18. Kraftfahrzeug, aufweisend einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 17 und/oder eine Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 16.
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